Flood Hazard Assessment and Spatial Planning Evaluation in Upper Cimanuk Watershed

Abstract

The Upper Cimanuk Watershed (UCW) suffered from ecosystem degradation due to human intervention such as converting the forest in upstream into agriculture for their welfare while ignoring the spatial planning policies, exceeded the carrying capacity which leading to the failure in serving as its natural function as catchment area. This issue exacerbated by the change of local hydrological regime and climate, resulting high frequency and severe flood events in most rainy season impacting the area in the lower-flat zone with high population density. To address these challenges, this study aims to investigate the driver of flood hazard in UCW that can serve as an evidence-based tool for evaluating and improving spatial planning policies for disaster mitigation. To achieve the aim of this study, several objectives have been set: 1) analyzing the spatio-temporal dynamics of land use/land cover (LULC) change in the UCW between 2012 and 2024, 2) analyzing long-term local climate pattern and its interrelationship with flood events in the UCW, 3) assessing flood hazard of the UCW, 4) and evaluating spatial patterns based on flood hazard and proposing mitigation direction. LULC change between 2012-2024 was analyzed by semi-automatic classification (SCP) plugin, with the data derived from Landsat-8 image (2012) and Sentinel-2 image (2024). Therefore, climate analysis was conducted whitin Python environmental program leveraging grid precipitation data CHIRPS v.2 using Mann-Kendell test, Sen’s slope estimator, and standardize percipitation index (SPI) method. Flood hazard was employed Frequency Ratio (FR), Random Forest (RF) and Support Vector Machine (SVM). Finally evaluating spatial planning and formulation of flood mitigation was engaged by overlaying spatial pattern map, LULC map, and flood hazard map. The UCW experienced massive change in the LULC within the last 12 years, identified in decreasing of forest by 46,2% and increasing of dryland farming, built-up, and mixed-tree crops by 89%, 41%, and 23,9% respectively. Significant forest reduction in the UCW is primarily driven by the conversion of forests into dryland agriculture (104,82 km2) and mixed-tree crop (82,52 km2). This LULC aligns with the Garut Regency's regional development plan, which designates the affected sub-districts as agropolitan strategic areas to promote agricultural development. Although there was no significant long-term precipitation trend during the 1981-2024 period (p-values 0,368 & 0,493), this study reveals highly fluctuating monthly variability with a standard deviation of 156,04 mm (nearly 65% of the mean of 240,90 mm). The analysis confirms the September 2016 flash flood was caused by the strongest La Nina anomaly in the 44-year period, serving as a future warning. Moreover, a dual threat was revealed, wherein hydrological drought occurred 15,7% of the time, more frequently than the rainfall surplus indicating flood potential at 12,5%. This study successfully mapped flood hazard using three models: FR, RF, and SVM. All models performed well (AUC > 0,80), with the RF model proving superior (AUC = 0,921), followed by SVM (0,890) and FR (0,845). This study confirms that flooding in the UCW stems from upstream forest conversion. This necessitates urgent strategic land management in the upstream areas to prevent impacts on densely populated central regions. Critical mitigation measures are required in high and very high flood hazard zones, which cover 9.5% to 10.3% of the landscape, according to the RF and SVM models, respectively. This study reveals a critical misalignment in spatial planning. 70% of the areas identified with high and very high flood hazards are not only concentrated in residential zones but are also officially designated for settlement, tourism, and industrial development. This failure in planning is compounded by the ineffectiveness of the current regional spatial plan as a mitigation tool; as of 2024, only 49% of actual LULC aligns with its directives. This reality necessitates an urgent and comprehensive overhaul of the spatial plan, which could be restructured into four distinct categories based on scientifically determined flood hazard levels. Ultimately, these findings provide a clear mandate for a dual-pronged mitigation strategy one focused on preventing root causes in the upstream and another focused on mitigating impacts in the densely populated downstream urban areas.

Daerah Aliran Sungai (DAS) Cimanuk Hulu mengalami degradasi ekosistem akibat intervensi manusia seperti konversi hutan di bagian hulu menjadi lahan pertanian demi kesejahteraan dengan mengabaikan kebijakan tata ruang, sehingga melampaui daya dukung yang menyebabkan kegagalan fungsi alaminya sebagai daerah tangkapan air. Masalah ini diperparah oleh perubahan rejim hidrologi lokal dan iklim, yang mengakibatkan tingginya frekuensi dan tingkat keparahan kejadian banjir di hampir setiap musim hujan yang berdampak pada wilayah dataran rendah di bagian hilir dengan kepadatan penduduk yang tinggi. Untuk mengatasi tantangan ini, penelitian ini bertujuan untuk menginvestigasi faktor pendorong bahaya banjir di DAS Cimanuk Hulu yang dapat berfungsi sebagai alat berbasis bukti untuk mengevaluasi dan memperbaiki kebijakan tata ruang untuk mitigasi bencana Untuk mencapai tujuan penelitian ini, beberapa tujuan telah ditetapkan: 1) menganalisis dinamika spasio-temporal perubahan tutupan/penggunaan lahan di DAS Cimanuk Hulu antara tahun 2012 dan 2024, 2) menganalisis pola iklim lokal jangka panjang dan keterkaitannya dengan kejadian banjir di DAS Cimanuk Hulu, 3) mengkaji bahaya banjir di DAS Cimanuk Hulu, dan 4) mengevaluasi pola ruang berdasarkan bahaya banjir dan mengusulkan arahan mitigasi. Perubahan penggunaan/tutupan lahan antara 2012-2024 dianalisis dengan plugin Semi-automatic Classification Plugin (SCP), dengan data dari citra Landsat-8 (2012) dan citra Sentinel-2 (2024). Selanjutnya, analisis iklim dilakukan dalam lingkungan program Python dengan memanfaatkan data curah hujan grid CHIRPS v.2 menggunakan uji Mann-Kendall, Sen’s slope estimator, dan metode Standardized Precipitation Index (SPI). Analisis bahaya banjir menggunakan Frequency Ratio (FR), Random Forest (RF), dan Support Vector Machine (SVM). Terakhir, evaluasi tata ruang dan perumusan mitigasi banjir dilakukan dengan menumpang-susunkan (overlay) peta pola ruang, peta penggunaan lahan, dan peta bahaya banjir. DAS Cimanuk Hulu mengalami perubahan besar dalam tutupan/penggunaan lahan selama 12 tahun terakhir, yang teridentifikasi dari penurunan luas hutan sebesar 46,2% dan peningkatan pertanian lahan kering, lahan terbangun, dan kebun campuran masing-masing sebesar 89%, 41%, dan 23,9%. Penurunan hutan yang signifikan di DAS Cimanuk Hulu didorong oleh konversi hutan menjadi pertanian lahan kering (104,82 km2) dan kebun campuran (82,52 km2). Perubahan penggunaan lahan ini sejalan dengan rencana pembangunan daerah Kabupaten Garut, yang menetapkan kecamatan-kecamatan terdampak sebagai kawasan strategis agropolitan untuk mendorong pembangunan pertanian. Meskipun tidak ada tren curah hujan jangka panjang yang signifikan selama periode 1981-2024 (nilai p 0,368 & 0,493), penelitian ini mengungkapkan variabilitas bulanan yang sangat berfluktuasi dengan standar deviasi 156,04 mm (hampir 65% dari rata-rata 240,90 mm). Analisis ini mengonfirmasi bahwa banjir bandang September 2016 disebabkan oleh anomali La Nina terkuat dalam periode 44 tahun, yang menjadi peringatan untuk masa depan. Lebih lanjut, terungkap adanya ancaman ganda, di mana kekeringan hidrologis terjadi 15,7% dari total waktu, lebih sering dibandingkan dengan surplus curah hujan yang mengindikasikan potensi banjir sebesar 12,5%. Penelitian ini berhasil memetakan bahaya banjir menggunakan tiga model: FR, RF, dan SVM. Semua model menunjukkan kinerja yang baik (AUC > 0,80), dengan model RF terbukti paling unggul (AUC = 0,921), diikuti oleh SVM (0,890) dan FR (0,845). Penelitian ini mengonfirmasi bahwa banjir di DAS Cimanuk Hulu bersumber dari konversi hutan di bagian hulu. Hal ini menuntut adanya pengelolaan lahan strategis yang mendesak wilayah hulu untuk mencegah dampak di wilayah tengah yang padat penduduk. Langkah-langkah mitigasi kritis diperlukan di zona bahaya banjir tinggi dan sangat tinggi, yang mencakup 9,5% hingga 10,3% dari total luas wilayah, menurut model RF dan SVM. Penelitian ini mengungkapkan adanya ketidakselarasan kritis dalam perencanaan tata ruang. 70% dari wilayah yang teridentifikasi memiliki bahaya banjir tinggi dan sangat tinggi tidak hanya terkonsentrasi di zona pemukiman, tetapi juga secara resmi ditetapkan untuk pengembangan pemukiman, pariwisata, dan industri. Kegagalan dalam perencanaan ini diperparah oleh tidak efektifnya rencana tata ruang wilayah saat ini sebagai alat mitigasi; di mana hingga tahun 2024, hanya 49% dari penggunaan lahan aktual yang sesuai dengan arahannya. Kenyataan ini menuntut perombakan total yang mendesak dan komprehensif terhadap rencana tata ruang, yang dapat direstrukturisasi menjadi empat kategori berbeda berdasarkan tingkat bahaya banjir yang ditentukan secara ilmiah. Pada akhirnya, temuan-temuan ini memberikan mandat yang jelas untuk strategi mitigasi dua arah: satu berfokus pada pencegahan akar penyebab di hulu dan juga berfokus pada mitigasi dampak di kawasan perkotaan hilir yang padat penduduk.